周倩茹

（深圳市綜合交通設(shè)計(jì)研究院，廣東 深圳 518003）

1 概述

從20世紀(jì)30年代開始，發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)于焊接技術(shù)的發(fā)明為組合梁的應(yīng)用提供了先決條件，人們開始研究如何充分發(fā)揮兩種材料的特性，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的效果。鋼混組合梁橋經(jīng)歷了發(fā)展史上的萌芽期、研究探索期和蓬勃發(fā)展期。組合梁最早從歐洲發(fā)展起來(lái)，德國(guó)于1937年開始進(jìn)行組合梁加載試驗(yàn)；日本于1950年就開始建設(shè)公路與鐵路組合梁橋，并于1959年制定了關(guān)于公路橋的組合梁設(shè)計(jì)施工規(guī)范；緊隨其后的是美國(guó)于1954年開始在伊利諾伊州進(jìn)行了焊釘連接件的承載力和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。但是在這個(gè)過(guò)程中組合結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展也遇到了很多問(wèn)題與挑戰(zhàn)，早期的鋼混組合梁橋因?yàn)榛炷涟瀹a(chǎn)生嚴(yán)重裂紋和剪力鍵的疲勞破壞，大大降低了其承載能力和耐久性，因此在20世紀(jì)60年代末至80年代初，組合結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)受到很多爭(zhēng)議，以法國(guó)為例，當(dāng)時(shí)建設(shè)組合結(jié)構(gòu)橋梁僅占2.5%。進(jìn)入20世紀(jì)七八十年代后，法國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家對(duì)組合結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行了更深入的研究：在設(shè)計(jì)方面，有允許橋面板開裂、限制混凝土裂縫寬度設(shè)計(jì)法，跨中和支點(diǎn)附近截面采用完全組合截面和不完全組合截面或斷續(xù)組合截面的平衡設(shè)計(jì)法；在施工技術(shù)方面，發(fā)展完善了分段現(xiàn)澆混凝土法、預(yù)制混凝土板縱向滑移法以及組合橋面板法等。

進(jìn)入20世紀(jì)八九十年代后，組合梁橋進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的時(shí)代，應(yīng)用范圍也得到了拓展，從簡(jiǎn)支梁橋延伸到連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋、拱橋和懸索橋等。

由于我國(guó)在20世紀(jì)一直處于鋼材產(chǎn)量低、薄卷板材緊缺，且壓型鋼板成型技術(shù)與配套技術(shù)未得到開發(fā)的狀態(tài)，因而起步較晚。鋼混組合梁真正應(yīng)用于城市橋梁建設(shè)是由北京市政設(shè)計(jì)院于1993年設(shè)計(jì)的北京國(guó)貿(mào)橋，該項(xiàng)目的成功標(biāo)志著鋼混組合梁能夠滿足城市大跨徑橋梁建設(shè)，預(yù)制裝配的施工工藝縮短了施工工期，而且橋梁施工過(guò)程中免去了滿堂支架，可以實(shí)現(xiàn)不中斷交通，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。此后，鋼混組合梁廣泛用于城市橋梁建設(shè)，并不斷發(fā)展至今。

2 力學(xué)特性分析

在城市橋梁設(shè)計(jì)中，鋼混組合梁的設(shè)計(jì)依據(jù)為換算截面法。計(jì)算過(guò)程中應(yīng)保證承載能力驗(yàn)算合格，即控制截面在各施工階段的最大應(yīng)力滿足規(guī)范要求，且在正常使用條件下，考慮滑移效應(yīng)的撓跨比也滿足規(guī)范要求。

橋面板一般均按全預(yù)應(yīng)力混凝土或部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計(jì)，采用未開裂分析方法，因此通常根據(jù)國(guó)內(nèi)最新關(guān)于組合梁規(guī)范《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTG/T D64-01—2015）中第7.2.1條計(jì)算組合梁抗彎承載力時(shí)應(yīng)采用線彈性方法進(jìn)行分析，這種情況滿足以下假設(shè)：

（1）結(jié)構(gòu)變形符合平截面假定。

（2）鋼材混凝土均作為理想彈性體。

（3）鋼梁與混凝土之間連接可靠，相對(duì)滑移小。

（4）混凝土橋面板按實(shí)體面積計(jì)算，不扣除開裂部分，不考慮混凝土翼緣板中的鋼筋。

（5）負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板不開裂，仍參與整體結(jié)構(gòu)的作用。

計(jì)算組合截面各點(diǎn)應(yīng)力時(shí)應(yīng)采用換算截面，如圖1所示。

圖1 換算截面示意圖

首先計(jì)算換算截面特性中間值：

最終得到換算截面特性：

式中：n0為短期荷載作用下鋼與混凝土的彈性模量比為鋼材彈性模量；EC為混凝土彈性模量。

此外，當(dāng)考慮組合梁的溫度效應(yīng)，混凝土收縮徐變計(jì)算可采用調(diào)整鋼材與混凝土彈性模量比的方法考慮混凝土徐變的影響。超靜定結(jié)構(gòu)中混凝土收縮徐變引起的效應(yīng)宜采用有限元方法計(jì)算：

式中：nL為長(zhǎng)期彈性模量比；（t，t0）為加載齡期為t0，計(jì)算齡期為t時(shí)的混凝土徐變系數(shù)；ψL為根據(jù)作用（或荷載）類型確定的徐變因子。

上述力學(xué)分析方法多用于計(jì)算承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算，而考慮組合梁的正常使用極限狀態(tài)的變形計(jì)算時(shí)，通常應(yīng)采用考慮滑移效應(yīng)的折減剛度。

我國(guó)規(guī)范包括《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）等要求組合梁在驗(yàn)算抗彎承載力時(shí)應(yīng)考慮不同的應(yīng)力計(jì)算階段，即必須考慮每個(gè)施工階段，包括未形成組合梁時(shí)鋼梁?jiǎn)为?dú)受力階段和形成組合梁后聯(lián)合截面的受力階段等，按照具體工程施工過(guò)程劃分。

3 城市組合梁橋的分類與特點(diǎn)

目前，在我國(guó)城市組合梁橋的發(fā)展與建設(shè)中，應(yīng)用較多的通常有以下幾種類型：組合鋼板梁橋、組合鋼箱梁橋、組合桁架橋、組合剛構(gòu)橋、混合梁橋、組合拱橋、組合斜拉橋等（見(jiàn)表1）。

通過(guò)表1的對(duì)比分析，各種橋型之間均存在優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于跨徑較小的城市組合梁橋，組合鋼板梁及組合鋼箱梁橋應(yīng)用較為廣泛。歸納總結(jié)，根據(jù)不同的橫截面形式可以分為：工字形鋼梁（組合鋼板梁），一般適用于跨徑不大于40 m的城市橋梁中；槽形鋼梁（組合鋼箱梁），適用于跨徑40～80 m的較大跨徑的城市橋梁，目前國(guó)內(nèi)最大跨徑做到了110 m。簡(jiǎn)支組合梁橋的經(jīng)濟(jì)跨徑一般在40 m以下，而連續(xù)梁橋彎矩比相同跨徑的簡(jiǎn)支梁橋小，邊中跨比的合理比例在0.6～0.8。

圖2為橫斷面為目前城市橋梁中最常用的箱梁截面形式，即閉口截面鋼箱梁+混凝土橋面板的形式。這種截面形式有個(gè)缺點(diǎn)，即沒(méi)有充分利用頂板鋼板的性能，經(jīng)濟(jì)性較差。在設(shè)計(jì)中可以另辟蹊徑，改成槽形斷面，槽形斷面在施工階段，即還未形成聯(lián)合截面前，截面受壓應(yīng)力處于最不利狀態(tài)，為了能夠滿足自身自重和混凝土板自重的承載力要求，通過(guò)施工階段臨時(shí)墩的設(shè)置或者預(yù)制橋面板的形式，這樣能夠充分利用截面的性能，不浪費(fèi)材料。如圖3所示，將頂板鋼板改成6 mm厚鋼模板，有效降低了用鋼量指標(biāo)，提高了橋梁的經(jīng)濟(jì)性。需要注意的是，改進(jìn)后該斷面應(yīng)進(jìn)行施工各階段驗(yàn)算，滿足規(guī)范要求。

表1 組合結(jié)構(gòu)橋梁的分類及特點(diǎn)

圖2 深圳市某立交橋梁橫斷面（閉口鋼箱梁）（單位：cm）

圖3 深圳市某立交橋梁橫斷面（改進(jìn)槽形鋼箱梁）（單位：cm）

4 設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題及策略分析

4.1 剪力連接件的有效性

目前所有的鋼混組合梁的計(jì)算理論都是基于剪力連接件有效的基礎(chǔ)上，規(guī)范關(guān)于考慮滑移效應(yīng)一般是采用折減剛度的概念。采用上文提到的換算截面計(jì)算出來(lái)的組合梁變形跟實(shí)際情況相比偏小，因此在城市橋梁的設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)國(guó)內(nèi)外各學(xué)者的研究。受到認(rèn)可的連接件形式主要有焊釘連接件、開孔板連接件及型鋼連接件這三種。而實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛的為焊釘連接件，在設(shè)計(jì)中如何將焊釘連接件的作用發(fā)揮到最大，如何減小滑移效應(yīng)、防止橋面板掀起等，應(yīng)結(jié)合研究結(jié)果并考慮施工的便利性做出合理的設(shè)計(jì)。如采用集束式焊釘連接形式，可以縮短施工工期，與均布式相比，可以更好地發(fā)揮整體受力性能。又如，美國(guó)AASHTO規(guī)范中關(guān)于單個(gè)焊釘?shù)钠诳辜舫休d力計(jì)算公式中，明確表示了單個(gè)焊釘能夠承受的最大剪力幅與焊釘直徑成正比，因此在合理的范圍內(nèi)適當(dāng)加大焊釘直徑也是一種抗疲勞設(shè)計(jì)的有效途徑。

4.2 組合梁的橫向分布系數(shù)

計(jì)算橋梁橫向分布系數(shù)的主要方法有杠桿原理法、鉸接板法、剛性橫梁法、修正剛性橫梁法等。在相關(guān)研究文獻(xiàn)中，可以借鑒的是，在分析組合梁的單片梁受力特性時(shí)，利用修正后的偏心壓力法低估了荷載在組合梁橫向的傳遞能力，實(shí)際設(shè)計(jì)中是偏安全的。因此在具體設(shè)計(jì)中，利用橫向分布系數(shù)驗(yàn)算單片梁的受力特性時(shí)，可以分邊梁與中梁分別進(jìn)行考慮，此時(shí)可以對(duì)邊、中梁的截面特性進(jìn)行修正。實(shí)踐表明，這種計(jì)算方法與用有限元軟件MIDAS計(jì)算整體模型時(shí)的結(jié)果相近，是一種可取的工程簡(jiǎn)化計(jì)算方法，可用于驗(yàn)證結(jié)果的合理性。

4.3 材料的自身局限性問(wèn)題

傳統(tǒng)意義上的組合梁，無(wú)非就是混凝土材料與鋼材，材料力學(xué)特性尚有突破的空間，若研發(fā)出新型材料能夠取代混凝土或者鋼材，比如碳纖維的研究等，可以增大跨徑，又有較好的抗疲勞性能，同時(shí)又能在具體工程施工中實(shí)現(xiàn)，那么這對(duì)組合梁橋的進(jìn)一步發(fā)展將帶來(lái)革命性的影響。

4.4 新型截面形式的引入

應(yīng)用較為廣泛的組合梁截面形式大多是，混凝土作為截面上部，鋼材作為截面下部，這種截面形式在連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)應(yīng)用中具有很大的局限性，實(shí)際設(shè)計(jì)中都是靠預(yù)應(yīng)力鋼束的作用來(lái)抵消負(fù)彎矩。因此改進(jìn)截面形式是一個(gè)值得研究的課題。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，冷彎U形鋼混組合梁和新型鋼-閉口壓型鋼板混凝土組合梁是現(xiàn)階段研究較多的截面類型，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值，代表了未來(lái)組合梁的發(fā)展方向。

4.5 組合梁設(shè)計(jì)與城市景觀相契合

近年來(lái)，越來(lái)越多的城市重視對(duì)橋梁的景觀設(shè)計(jì)，組合梁作為一種“性價(jià)比”較高的形式被廣為推崇，然而組合梁的設(shè)計(jì)亦應(yīng)結(jié)合城市整體景觀定位。一般來(lái)說(shuō)，組合橋的梁高相較于傳統(tǒng)混凝土梁有較大的優(yōu)化，得到了一定程度的降低，輕盈的梁體也賦予了結(jié)構(gòu)靈動(dòng)的特性；此外，梁體設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合防撞護(hù)欄、花槽、排水設(shè)施、燈座等進(jìn)行專題設(shè)計(jì)，如設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)通透感的鋼結(jié)構(gòu)梁柱式防撞護(hù)欄，混凝土翼緣端部設(shè)計(jì)花槽橫斷面，搭配爬藤類及花期較長(zhǎng)的綠植，整體景觀協(xié)調(diào)一致。排水管及泄水管采用從鋼箱內(nèi)部布管的隱蔽設(shè)計(jì)，并埋入橋墩內(nèi)部，并在橋墩底部或墩頂部設(shè)置疏通導(dǎo)管，滿足結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)“十三五”規(guī)劃的進(jìn)一步推進(jìn)，組合梁的建設(shè)在城市橋梁中的地位將進(jìn)一步得到提高，同時(shí)對(duì)工程設(shè)計(jì)從業(yè)人員的要求也越來(lái)越高，如何在現(xiàn)有的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和成果上總結(jié)并不斷更新設(shè)計(jì)理念是每個(gè)橋梁設(shè)計(jì)者需要思考的問(wèn)題。組合梁的設(shè)計(jì)不能采用千篇一律的設(shè)計(jì)方法，也不能完全不考慮以往的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)。總而言之，應(yīng)該在充分考慮橋梁本身定位的基礎(chǔ)上盡可能選擇適合的截面和連接形式，與時(shí)俱進(jìn)地加入景觀的一體化設(shè)計(jì)理念，才能設(shè)計(jì)出精品工程。